基于除盐水预热调试探索多变量系统控制方法

黄志伟，常久虎

（马鞍山钢铁股份有限公司热电总厂，安徽马鞍山 243000）

引言

近年来，随着工业技术的迅猛发展，控制设备快速更新换代，普通生产企业实现自动化生产的门槛也变得越来越低。实际上，对于追求经济效益的生产企业来说，提高生产线自动化程度的有效途径，不只是设备换代与技术革新，还能通过不断地深挖现有设备的控制潜能，在现有设备技术的基础上进行二次创新与实践改造。

马钢热电总厂主设备保护、重要设备联锁和重要参数的自动调节，如汽轮机保护、主给水调节等，基本上都能实现长时间稳定工作，满足行业标准要求。但是对于部分外围辅助系统，其控制设备的复杂多样性，给提高系统自动化程度造成了很大的困扰。

本课题主要是根据除盐水预热系统的调试经验，分析与探究现场生产中多变量系统的控制方式，通过优化控制策略的方法，提高系统的控制品质。在多变量系统内，各参数相互耦合、相互影响，如何设计出切合实际需要、性能相对稳定的控制方式，是本文研究的重点任务。

1 除盐水预热系统

我厂5#锅炉设计给水210 t/h、排烟温度170℃；南区系统除盐水温度约40℃、凝结水温度约120℃。

从除盐水母管引水一路，另从凝结水母管引水一路。通过两路阀门调节给水量后，使混合水箱混合后出水温度在102℃，进入烟气换热器中。通过烟气加热后进入除氧器补水母管中。

此系统有DCS控制器全自动控制，并在机炉集控室配置DCS操作员站，可在PC图形界面监控系统运行情况，见图1。

图1 系统示意图

系统设备主要包括：凝结水主管路（凝结水截止阀、凝结水调节阀、凝结水温度传感器、凝结水压力传感器）、除盐水主管路（除盐水截止阀、除盐水调节阀、除盐水温度传感器、除盐水压力传感器）、混合水箱出水（混合水温度传感器、混合水箱温度计、压力表、放气阀、排水阀）、变频水泵及变频控制柜（75 kW水泵2台）、烟道热交换器（出水温度传感器、放气阀门、排水阀门、排烟温度传感器）、系统出水总管（出水温度传感器、系统水流量计、系统隔绝电动截止阀）、DCS系统操作工作站。

本系统设计为全自控调节系统主要有：

根据混合集水箱出水温度调节除盐水调节阀门开度和凝结水阀门开度。

根据系统排烟温度调节水泵变频。

监测系统除盐水温度、压力。

监测系统凝结水温度、压力。

监测系统水泵运行状态、故障状态、远程启停、水泵转换及出水压力、水流开关状态。

2 控制原理分析

该全自控调节系统，可分为混合水温调节与排烟温度调节两个控制回路，可以通过凝结水调节阀、除盐水调节阀调节冷热水比例来控制混合水温度，也可以通过变频泵调节进入烟气换热器的混合水流量来控制系统排烟温度。

排烟温度控制回路,见图2，有一个被控对象，一个执行器，执行器（变频泵）接受DCS自动调节指令，对被控对象（排烟温度）进行反作用调节。当排烟温度过高时，加大变频泵转速，提高介质流量，使烟气温度降低至设定值（125℃），反之亦然。这是典型的单回路控制，本文不作重点介绍。

图2 排烟温度控制回路

混合水温控制回路，见图3，是一个被控对象，有两个执行器。被控对象（混合水温）既受执行器1（凝结水调节阀）的开度影响，又受执行器2（除盐水调节阀）的开度影响。凝结水调节回路的干扰1，很大程度受除盐水调节阀影响，同时除盐水调节回路的干扰2，主要受凝结水调节阀的影响，两个调节回路相互耦合、相互影响。

图3 混合水温控制的两个子回路

同时，两个执行器间不存在直接的因果联系，亦无法构成串级控制回路，只能作为两个独立的子控制回路。对于被控对象混合水温，除盐水调节阀是负作用控制，凝结水调节阀是正作用控制。

在实际调节过程中，二者同时参与控制，相互之间不断造成干扰，容易发生震荡或者超调。

两个子调节回路相互耦合，接受同一设定值（设计102℃），通过2台相互独立的流量调节阀，控制同一被控对象（混合水温度）。主要采用是在PI调节逻辑层增加一项强制“联动命令”（设备跳手动时，该项逻辑无效），在特定条件触发后，PI调节器将输出预先设定的控制命令（有别于PI运算命令）。当被控对象出现过调或者跟踪不及时，即可通过这样的特定“联动”命令，使得两台设备都能及时地往正确方向快速调节，可以减弱调节回路之间相互耦合干扰的强度，使得整体调节控制都能稳定地工作。

通过组态逻辑优化、PI参数整定等方式，降低或消除过程控制的震荡和超调，提高（多变量控制系统）自动调节的可靠性，最终实现该工艺过程的完全自动控制，降低运行岗位人员的人力成本。

3 组态调试

考虑除盐水调节阀管径相对较小（DN100），除盐水回路对被控参数的调节相对较弱（不考虑比热容公式计算），除盐水调节阀的PI调节逻辑，不作任何强制“联动”，使其能全程稳定调节，消除静态偏差，达到精调的目的。

凝结水调节阀管径大（DN200），且母管压力略高于除盐水母管（当凝结水流量过大时，除盐水管路有时候会出现明显憋压，限制除盐水调节效果），所以要对凝结水调节阀的PI调节逻辑，增加强制“联动命令”，特定条件出发后，PI调节器将输出预先设定的控制命令。

凝结水调节阀增加了强制“联动命令”逻辑，经最终调试确定，其简要逻辑如下几条（实际组态逻辑如图 4）：

图4 凝结水组态逻辑图

（1）凝结水调节阀操作界面，设置“自动/手动”切换功能。

（2）凝结水调节阀切“自动”状态时，调节器对设定值（混合水温度102℃）的偏差信号进行PI运算，凝结水调节阀接受调节器的运算输出指令工作，消除混合水温偏差。

（3）当凝结水调节阀处于“自动”状态，如果除盐水调节阀开度反馈（MSA0061.FB）小于或等于50%，那么凝结水调节阀的调节器输出下限（PIDA06101.LLOP）将强制设置为90%。该设置仅对调节器输出起作用，对调节器的偏差输入及内部PI运算并无影响。

（4）凝结水调节阀切“手动”状态时，岗位人员可以通过操作盘手动控制调节阀的开度。第（2）、（3）条逻辑无效。

以上第（3）条逻辑，也就是我们之前提到的强制“联动命令”，主要功能就是在控制混合水温的同时，让2台调节阀都能处于较大的阀门开度位置，以达到混合水最大流量与烟气换热器最大效率的目的（混合水流量调节此处不作详见介绍）。

温度调节回路普遍都具有高滞后性，尤其对于多变量调节相互耦合干扰、介质配比变化大、混合不充分的容器系统，经常会出现被控参数过调震荡或者调节不及时等现象，使得自动调节功能无法投用。我们通过增加“联动命令”的方式，把2台调节阀的调节工作范围限制在部分开度区域，保证自动调节长期处于系统基本工况下，能够应对绝大多数的工况干扰波动（主要是机组负荷及凝气器补水量变化导致的凝结水母管温度变化），设备全程无需切回手动调节。

调试曲线图如图5，曲线长度为2 h（2017-12-18 8:30-10:30），凝结水温度出现较大波动，最低114℃，最高123℃，对混合水温自动调节产生较大干扰，两台调节阀都能及时跟踪调节，使得被控对象混合水温最低98℃，最高104℃，波动偏差控制在±3℃以内，符合控制要求。

图5 调试曲线图

在整个调节过程中，混合水一直保持较大流量，符合了烟气换热器追求最大效率的基本要求。

4 总结

本课题主要是基于除盐水预热系统的调试工作，分析与探究现场生产中多变量系统的控制方式，通过优化控制策略，提升多变量系统的控制品质。

在多变量系统内，各参数相互耦合、相互影响，通过在PI调节逻辑层增加一项强制“联动命令”，在特定条件下触发后，PI调节器将输出预先设定的控制命令，使得调节阀的调节工作范围限制在部分开度区域，自动调节长期处在系统基本工况下，系统能够应对绝大多数的工况干扰波动，这样就保证了自动调节能够长时间稳定工作，提高了系统整体自动化的程度。